硬厚煤层压裂节能与块煤分级控制机理及应用

2018-05-04邓广哲

中国煤炭 2018年4期

邓广哲郑锐徐东

(1. 西安科技大学能源学院，陕西省西安市，710054；2.西安科技大学西部矿井开采及灾害防治教育部重点实验室，陕西省西安市，710054)

随着国家能源结构调整，煤炭清洁利用、科学转化、绿色开采以及产品市场需求方面也随之发生了深刻的变化。在煤炭分质转化、煤炭气化、火力发电、煤化工、兰炭及作为原料制造化工产品等市场需求方面，对原煤的粒径有了一定的要求，同时对块煤分级控制也提出了更高的要求。

我国西部地区煤炭资源丰富，尤其是陕北侏罗纪煤田是我国已探明煤炭资源储量最大的煤田之一，且煤层埋藏浅、赋存稳定、近水平、低灰、低硫、低磷、高发热量，开采条件优越，是我国重要的煤炭深加工和清洁利用开发基地。该煤田以硬厚煤层开采为主，矿井开采全面实现大型机械化和集约化生产开发，装备水平高，装机能量大，居于世界一流。但同时硬厚煤层大采高工作面煤机比能耗大，设备效率低，截割速度慢，尤其块煤生产率低，采煤机截割煤中粉煤多，截齿磨损严重，抬高了原煤制造成本，削弱了煤炭产品的市场竞争力，加剧了重型机械化矿井安全清洁高效开采的困境。

针对浅埋硬厚煤层机械化开采存在的问题，一些学者们在煤层压裂节能方面开展了积极探索。吴松等通过对综采工作面进行松动爆破现场试验，超前增大煤体破碎程度，在采煤机进一步扰动下提高块煤率，同时实现节能降耗的目标。张震东探讨了液态CO2深孔压裂技术，对提高坚硬煤体裂隙发育水平增加煤炭回采块煤率在理论上是可行的。李文魁认为在煤层中制造大量人工裂隙与天然裂隙沟通，对提供煤层压裂效果有较大帮助。邓广哲等通过研究水压致裂提高块煤率的机理，为厚硬煤层综采面提高块煤率与节能降耗提供了新的方法和途径。邓广哲等对水压致裂防冲机理进行了试验研究，结果表明水压致裂能有效防治冲击灾害的发生。

煤层水压致裂技术具有安全、高效、环保、节能等显著特征，在复杂煤层安全高效开采方面具有很大的优势及发展前景。但煤层水压致裂技术在节能降耗、块煤分级控制方面研究还很少，本文针对硬厚煤压裂节能与块煤分级控制机理进行探讨，为煤炭清洁高效开采提供参考。

1 煤层压裂节能与块煤分级控制机理

1.1 煤层可截割性影响因素

煤体的可截割性直接体现在采煤机滚筒的截割比能耗上。本文用采煤机滚筒的截割比能耗分析煤层可截割性的影响因素，探索节能降耗的方法。

根据功与扭矩、转速和时间的关系以及体积与密度的关系可得到截割比能耗公式：

(1)

式中：Hw——割煤比能耗，kWh/m3；

D——滚筒直径，m；

Ap——平均截割阻抗，N/mm；

h——切削厚度，cm；

B——煤的脆性指数；

H——采高，m；

Vq——采煤机的牵引速度，m/min。

由式(1)可知，与煤层特性有关且影响采煤机截割比能耗的主要因素有截割阻抗、牵引速度、采高以及煤的脆性指数。

1.1.1 普氏系数对截割阻抗的影响

在固定某些参数的情况下，通过改变采煤机主要截割参数进行截割阻抗试验，得到普氏系数与截割阻抗之间关系如图1所示。

图1 煤体普氏系数与截割阻抗之间关系图

由图1可知，截割阻抗A随煤体硬度f增大而增大，可得关系式：

A=18f+78.3,R2=.0967,(f≤1.5)

A=127.4f-89.2,R2=.0995,(f≥1.5)

(2)

由式(2)可知，煤体的截割阻抗A与煤体普氏系数f呈正相关关系。其中硬煤煤质坚硬，难以破碎截割，截割阻力大，需采用超前弱化手段降低煤体强度，提高煤层的可截割性，减小截割阻抗，降低截割比能耗。

1.1.2 牵引速度对截割比能耗的影响

不同牵引速度条件下煤体普氏系数与截割比能耗关系如图2所示。由图2可知，当牵引速度一定时，截割比能耗随煤体硬度增大而增大；当煤体硬度不变时，截割比能耗随牵引速度增大而减小。要降低煤体的截割比能耗，应降低煤体普氏系数，提高煤机牵引速度。

图2 不同牵引速度条件下煤体普氏系数与截割比能耗关系

1.1.3 采高对截割比能耗的影响

不同采高煤体普氏系数与截割比能耗关系如图3所示。

图3 不同采高煤体普氏系数与截割比能耗关系

由图3可知，当煤体普氏系数不变时，截割比能耗随采高增大而减小。由于采高增大，单位时间内截割下来的煤体体积越多，同时工作面煤壁暴露的面积越大，煤壁受力由三向围岩受力状态转变为双向围岩受力状态，煤壁内部裂隙发育，截齿截割时受到截割阻力减小，截割比能耗降低。因此，在硬厚煤层开采过程中，应优选大采高综合机械化开采，同时采取煤层超前弱化技术对煤层结构进行改造，有利于实现煤炭的高效节能开采。

1.2 煤层压裂节能与块煤分级控制理论机理

硬厚煤层的压裂节能与块煤分级控制理论和技术，是煤炭工业发展过程中适用清洁利用和科学转化以及深加工需求增长情况下，探索提出的与优质煤炭生产和市场为源头配套的绿色开采技术。

煤层压裂节能与块煤分级控制开采方法是针对陕北侏罗纪硬厚煤层大型综采高耗能和清洁利用问题，在水压致裂软化原理基础上，采用了水力压裂、气体压裂、脉冲压裂以及混合压裂等综合性手段与方法，改造了国家级能源化工基地的硬煤破碎性，降低装备比能耗，提高资源采出率，形成并建立控制煤层压裂裂隙网络和破碎粒度为特征的块煤集群压裂开采方法。

煤层水压致裂节能与块煤分级控制工艺技术，是充分利用地应力条件，在原有综采系统与开采工艺条件下，采用高压脉冲预裂和高压活性水致裂配套的综合煤层超前水压致裂技术，以增加煤层致裂裂隙数量，并严格控制裂缝发展形态形成合适的裂隙网络，在自重、矿山压力及采煤机扰动共同作用下及时垮落，避免了坚硬煤层对截齿的破坏，实现以提高截割效率、块煤分级控制、降低材料消耗以及控制灾害发生为特征的新型压裂采矿工艺技术。

2 煤层压裂演化规律模拟

根据陕北某浅埋煤层地质条件，建立200 m×1 m×40 m的三维数值模型，模型左边、右边、底部为固定边界，模型上边界为压力边界，模拟上覆岩层的地应力。模拟工作面倾向长度100 m，分别模拟未压裂时工作面煤层100 m范围内的应力分布和压裂后工作面煤层50 m范围内的应力分布。

2.1 工作面方向煤层压裂演化规律

图4 工作面方向煤层压裂模型

工作面方向煤层压裂模型如图4所示。工作面方向煤层压裂应力云图如图5所示。单、双排孔煤层压裂与未压裂应力对比如图6所示。

由图4、图5和图6可知，工作面方向单、双排孔压裂区煤体应力转移范围为5 m和20 m，且双排孔压裂区煤体应力降低显著，双排孔压裂效果好于单排孔。煤体压裂区应力降低，从理论上解释了工作面压裂之后压裂区片帮减小的原因。

图5 工作面方向煤层压裂应力云图

图6 单、双排孔煤层压裂与未压裂应力对比图

2.2 工作面推进方向煤层压裂演化规律

工作面推进方向煤层压裂模型如图7所示。工作面推进方向煤层压裂应力云图如图8所示。单、双排孔煤层压裂与未压裂超前支撑压力对比如图9所示。单、双排孔煤层压裂与未压裂超前支撑压力峰值及位置对比如图10所示。

由图7、图8、图9和图10分析可知，工作面推进到未压裂、单、双排孔压裂区时的超前支承压力分别为24.66 MPa、22.7 MPa和20.2 MPa，应力集中系数分别降低13%和22%；支承压力峰值位置为5 m、6 m和8 m，分别前移1 m和3 m。结果表明，煤层压裂有利于煤体弹性能量的释放，为煤体破碎与冲击灾害防治创造条件，且双排孔的压裂效果优于单排孔。

图8 工作面推进方向煤层压裂应力云图

图9 单、双排孔煤层压裂与未压裂超前支撑压力对比图

3 工程应用

3.1 工作面概况

试验工作面选定陕北侏罗纪II-3煤层的某工作面，该煤层普氏系数f=2～3，为中等硬度煤层，其破坏性脆、断口参差状。天然煤层裂隙特点为：水平、垂直两组节理，垂直节理相对水平节理发育，其天然裂隙中常充填有黄铁矿，但破坏裂隙不发育。

图10 单、双排孔煤层压裂与未压裂超前支撑压力峰值及位置对比图

工作面地面标高+1260～+1285 m，工作面标高+1110～+1137 m，工作面走向长度2031.5 m，倾向长度254.5 m，平均煤层厚度5.04 m，为厚煤层，倾角1°～3°。采用长壁综采一次采全高采煤方法，顶底板管理采用全部垮落法。

3.2 煤层压裂方案

根据试验条件，在试验综采面沿回风平巷实施超前煤层压裂软化工程。经过综合分析，实施深孔压—剪混合压裂方案，钻孔布置如图11所示。

实施工艺如下：第一阶段为高压脉冲预裂法(PPF)，第二阶段为高压致裂裂化法(HPF)，与此同时，实施与综采工艺协调配套的综合块煤开采方法和工艺参数。

3.3 煤层压裂效果

工作面方向压裂、非压裂区矿压观测结果如图12所示。工作面推进方向超前支承压力观测结果如图13所示。由图12和图13可知，现场观测与数值计算结果基本一致。实测单、双排孔压裂区应力集中系数分别降低23%和18%，单排孔效果优于双排孔，是由于该区域前方存在断层地质构造造成。

煤层压裂块煤分级控制统计情况见表1。由表1可知，煤层压裂工艺使得大块破碎为中块和沫煤，其中压裂区使6～100 mm粒径的块煤分布均匀且比未压裂区提高了20.16%。试验结果表明，煤层压裂能较好地控制块煤的粒径，为煤炭清洁高效转化利用创造条件。

图11 煤层压裂钻孔布置图

图12 工作面方向压裂、非压裂区矿压观测结果

图13 工作面推进方向超前支承压力观测结果

表1 煤层压裂块煤分级控制统计表

经过现场实测，采煤机在单、双排孔压裂区与非压裂区的牵引速度分别为8.5 m/min、9.03 m/min和8.21 m/min，工效分别提高了3.5%和10%；在非压裂区割一刀煤时间为42 min，按正常循环，单、双排孔压裂区割煤比非压裂区节约16.56 min和44.04 min，煤层压裂可多割1刀/d。双排孔压裂区采煤机滚筒截割比能耗降低了30%。

对采煤机在非压裂区和压裂区各割煤50 m所消耗的截齿数目、电量、油脂进行统计。其中，截齿消耗减少29.94个，降幅为29.1%；电耗降低17409 kWh，降幅为39.8%；油脂消耗减少15 kg，降幅为5.16%，节省材料支出115.5万元/a。

通过对工作面方向、工作面推进方向煤尘分析得到，采高空间的中部位置的粉尘浓度最大，较低位置的煤尘浓度次之，较高位置的煤尘浓度最小，其中，工作面低位和高位的煤尘浓度比中位分别降低41.3%和49.1%；而工作面推进方向分别为16.0%和27.1%，由此可见工作面污染主要是割煤煤尘污染。

对比煤层压裂前后煤尘浓度变化发现，煤层超前压裂具有显著降尘作用。其中，高位煤尘浓度由2.557 mg/m3降至0.111 mg/m3，下降了95.7%；中位煤尘浓度由2.874 mg/m3降至1.572 mg/m3，下降了45.3%；低位煤尘浓度由2.816 mg/m3降至0.187 mg/m3，下降了93.4%。